(57)【要約】 【課題】高AlNモル分率かつ高キャリア密度p型AlGaNを実現し、それを用いることによって高性能に紫外域の光を発光することのできるAlGaN系半導体発光素子などのAlGaN系半導体光素子を実現する。【解決手段】  (0002)回折のX線ロッキングカーブの半値幅を800秒以下、(10-10)回折のX線ロッキングカーブの半値幅を1000秒以下、転位密度を5×109cm-2以下のいずれかを満足し、AlNモル分率が0.3よりも大きく、キャリア密度が5×1017cm-3よりも大きなp型AlGaN層を得、このｐ型AlGaN層をp型ブロッキング層及びｐ型クラッド層の少なくとも一方に用いてAlGaN系半導体光素子を実現する。【選択図】図３
2006269773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
5×1017cm-3より大きなキャリア密度を有し、AlNモル分率が0.3より大きいことを特徴とする、p型AlGaN層。
【請求項２】
(0002)回折のX線ロッキングカーブの半値幅が800秒以下であることを特徴とする、請求項１に記載のｐ型AlGaN層。
【請求項３】
(10-10)回折のX線ロッキングカーブの半値幅が1000秒以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のp型AlGaN層。
【請求項４】
転位密度が5×109cm-2以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のp型AlGaN層。
【請求項５】
ヘビーホールのバンド帯をHH、ライトホールのバンド帯をLH、及び結晶場分裂ホールのバンド帯をCHとすると、これらバンド帯のエネルギーが、CH≧HH,  LHなる関係を満足することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のp型AlGaN層。
【請求項６】
前記キャリア密度は、１×1018cm-3以上であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のp型AlGaN層。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一に記載のp型AlGaN層をp型AlGaNクラッド層及びp型AlGaNブロッキング層の少なくとも一方として含むことを特徴とする、AlGaN系半導体発光素子。
【請求項８】
所定の基板上において、低温AlN層、GaN層、GaN(11-22)ファセット上に形成された低温AlN層、ｎ型AlGaN平坦化層、AlGaN活性層、前記p型AlGaNブロッキング層、及び前記p型AlGaNクラッド層を順次に具えることを特徴とする、請求項７に記載のAlGaN系半導体発光素子。
【請求項９】
所定の基板上において、低温AlN層、GaN層、GaN(11-22)ファセット上に形成された低温AlN層、ｎ型AlGaN平坦化層、第１のAlGaNガイド層、AlGaN活性層、第２のAlGaNガイド層、前記p型AlGaNブロッキング層、及び前記p型AlGaNクラッド層を順次に具えることを特徴とする、請求項７に記載のAlGaN系半導体発光素子。
【請求項１０】
前記p型AlGaNブロッキング層及び前記p型AlGaNクラッド層に隣接して形成された電流狭窄層を有し、リッジ型を呈することを特徴とする、請求項９に記載のAlGaN系半導体発光素子。
【請求項１１】
前記AlGaN系半導体発光素子は、紫外域の光を発することを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか一に記載のAlGaN系半導体発光素子。
【請求項１２】
請求項１〜６のいずれか一に記載のｐ型AlGaN層をｐ型AlGaNクラッド層として含むことを特徴とする、AlGaN系半導体受光素子。
【請求項１３】
所定の基板上において、低温AlN層、ｎ型AlGaN層、AlGaN系活性層及び前記ｐ型AlGaNクラッド層を順次に具えることを特徴とする、請求項１２に記載のAlGaN系半導体受光素子。
【請求項１４】
前記AlGaN系半導体受光素子は、紫外域の光を受光することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載のAlGaN系半導体受光素子。
【請求項１５】
所定の基板上において、AlGaN下地層を形成する工程と、
前記AlGaN下地層上に、所定のマスクを周期的に形成する工程と、
前記AlGaN下地層上に、前記マスクを介して、前記マスクを覆うようにして所定のファセットを有するAlGaNファセット層を形成する工程と、
前記AlGaNファセット層の段差を埋設するようにして、AlGaN平坦化層を形成する工程と、
前記AlGaN平坦化層上において、p型AlGaN層を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、p型AlGaN層の形成方法。
【請求項１６】
前記基板と前記AlGaN下地層との間に、第１の低温AlGaNバッファ層を形成する工程を具えることを特徴とする、請求項１５に記載のｐ型AlGaN層の形成方法。
【請求項１７】
前記AlGaNファセット層と前記AlGaN平坦化層との間に、第２の低温バッファ層を形成する工程を具えることを特徴とする、請求項１５又は１６に記載のp型AlGaN層の形成方法。
【請求項１８】
前記p型AlGaN層は、5×1017cm-3より大きなキャリア密度を有し、AlNモル分率が0.3より大きいことを特徴とする、請求項１５〜１７のいずれか一に記載のp型AlGaN層の形成方法。
【請求項１９】
前記p型AlGaN層は、(0002)回折のX線ロッキングカーブの半値幅が800秒以下であることを特徴とする、請求項１８に記載のｐ型AlGaN層の形成方法。
【請求項２０】
前記p型AlGaN層は、(10-10)回折のX線ロッキングカーブの半値幅が1000秒以下であることを特徴とする、請求項１８又は１９に記載のp型AlGaN層の形成方法。
【請求項２１】
前記p型AlGaN層は、転位密度が5×109cm-2以下であることを特徴とする、請求項１８〜２０のいずれか一に記載のp型AlGaN層の形成方法。
【請求項２２】
前記p型AlGaN層は、ヘビーホールのバンド帯をHH、ライトホールのバンド帯をLH、及び結晶場分裂ホールのバンド帯をCHとすると、これらバンド帯のエネルギーが、CH≧HH,  LHなる関係を満足することを特徴とする、請求項１５〜２１のいずれか一に記載のp型AlGaN層の形成方法。
【請求項２３】
前記キャリア密度は、１×1018cm-3以上であることを特徴とする、請求項１５〜２２のいずれか一に記載のp型AlGaN層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光情報処理分野などへの応用が期待されているIII族窒化物半導体、特にはAlGaN系窒化物半導体に関する。
【背景技術】
【０００２】
低温堆積緩衝層(1986年 H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki and Y. Toyoda: Appl. Phys. Lett.,48 (1986) 353)、p型伝導性制御 (1989年 H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu and I. Akasaki: Jpn. J. Appl. Phys. 28 (1989) L2112) 、n型伝導性制御(1991年 H. Amano and I. Akasaki: Mat. Res. Soc. Ext, Abst., EA-21 (1991) 165)、および高効率発光層の作製法 (1991年 N. Yoshimoto, T. Matsuoka, T. Sasaki and A. Katsui, Appl. Phys. Lett., 59(1991)2251) など基幹技術の積み重ねにより、AlGaN系半導体を用いた高輝度の青色・緑色および白色発光ダイオードが既に実用化されている。
【０００３】
また、近年では紫外光に関する光半導体素子の研究も盛んに行われている。紫外レーザダイオードや紫外発光ダイオードに代表される紫外半導体発光素子は、高輝度光ディスク、医療用、環境用、研究開発、工業用など様々な応用例が考えられている。また、紫外線半導体受光素子は火炎センサ、医療用や工業用に用いることができるため、近年盛んに研究が行われている。
【０００４】
上述した光半導体素子は、AlNやAlGaNの結晶成長技術の向上などにより、これらのAlGaN系半導体を用いた紫外発光ダイオードや、紫外レーザダイオード、紫外線受光素子としてすでに報告されている。しかしながら、紫外発光ダイオードにおいては、従来の青色・緑色発光ダイオードに比べ効率が悪い、紫外レーザダイオードにおいては、340nmより短いレーザダイオードは実現されていない、紫外線受光素子に関しては、感度が低いなど多数の問題点がある。
【０００５】
現在報告されているIII族窒化物半導体紫外光素子において特に大きな課題となっているのは、伝導性制御、特にAlNモル分率0.3より大きなAlGaNにおいて高キャリア密度p型AlGaNの実現が難しいことがあげられる。これは、p型AlGaNのバンドギャップ幅が広がることによって、Mgの活性化エネルギーが増大するため、キャリア濃度が低下してしまうと考えられている。これらの要因から、現在までに報告されているp型AlGaNのキャリア密度としては、AlNモル分率0.3でキャリア密度が5×1017cm3 (特開2004-158893)である。
【０００６】
しかしながら、これより高AlNモル分率でかつキャリア密度の高いp型AlGaNが得られたという報告例はない。このような高AlNモル分率・高キャリア密度p型AlGaNが実現できていないのは、高性能のIII族窒化物半導体紫外光素子の実現において大きな問題点となっている。
【０００７】
従来報告されている代表的な紫外線発光ダイオードを図１０に示す。サファイア基板 1010上に有機金属化合物気相成長法により、AlN層 1011、Siを添加することによってn型伝導性を示すキャリア濃度2×1018cm-3のn型Al0.30Ga0.70N 1012、Al0.15Ga0.85N/ Al0.22Ga0.78N多重量子井戸構造活性層 1013、Mgを添加することによってp型伝導性を示すp型Al0.30Ga0.70Nブロッキング層 1014、p型Al0.25Ga0.75Nクラッド層 1015、p型GaNコンタクト層 1016 を順次積層し、III族窒化物半導体発光ダイオード構造を作製する。このような構造に対して、熱処理やEB蒸着、さらにはエッチングを施し、Ti/Alからなるn型電極1017、Ni/Auからなるp型電極 1018 を形成し、紫外線発光ダイオードを作製する。
【０００８】
図１０に示す紫外線発光ダイオードの発光スペクトルを図１１に示す。図１１から明らかなように、Al0.15Ga0.85N/ Al0.22Ga0.78N多重量子井戸構造活性層からの発光である320 nmの発光以外に、低エネルギー側に弱い発光が確認される。これは、p型クラッド層と、活性層のバンドオフセットが十分でなく且つp型Al0.25Ga0.75Nクラッド層のキャリア密度が低いため、キャリアの閉じ込めが十分でなくなり、p型AlGaNクラッド層に電子が漏れてしまうためであり、そのため、高効率な発光が得られないと言う問題がある。
【０００９】
その一方で、p型層のAlNモル分率を上昇させると、キャリア密度が下がることが危惧され、そのためAlNモル分率をキャリアの閉じ込めができる限界まで下げて作製する方法が一般的であった。
【００１０】
また、最近では、超格子構造を使うことにより比較的低抵抗かつワイドギャップなp型クラッド層が実現されることが報告されている(1997年 S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushita, H. Kiyoku, Y. Sugimoto, T. Kozaki, H. Umemoto, M. Sano and K. Chocho: Japanese Journal Applied Physics, .36 (1997) L1568)。しかしながら、同手法の場合、構造が複雑なため最適な構造を決めるのが難しいこと、成長条件の制御が難しいこと、膜厚と組成、ドーピング濃度を同時に制御する必要が有り再現性の問題などがあり、商用化を考えた場合大きな問題となっている。
【００１１】
その他、様々な研究機関から紫外発光ダイオードが報告されているが、現在のところ発光波長が280nmの紫外発光ダイオードでは20 mA注入時で0.85 mWという値が報告されているが（2004年W. Sun, V. Adivarahan, M. Shatalov, Y. Lee, S Wu, J Yang, J. Zhang and M. A. Khan: Japanese Journal Applied Physics, 43 (2004) L1419.）、非常に効率が悪いのが問題である。
【００１２】
【非特許文献１】H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki and Y. Toyoda: Appl. Phys. Lett.,48 (1986) 353
【非特許文献２】H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu and I. Akasaki: Jpn. J. Appl. Phys. 28 (1989) L2112
【非特許文献３】H. Amano and I. Akasaki: Mat. Res. Soc. Ext, Abst., EA-21 (1991) 165
【非特許文献４】N. Yoshimoto, T. Matsuoka, T. Sasaki and A. Katsui, Appl. Phys. Lett., 59(1991)2251
【非特許文献５】S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushita, H. Kiyoku, Y. Sugimoto, T. Kozaki, H. Umemoto, M. Sano and K. Chocho: Japanese Journal Applied Physics, .36 (1997) L1568
【非特許文献６】W. Sun, V. Adivarahan, M. Shatalov, Y. Lee, S Wu, J Yang, J. Zhang and M. A. Khan: Japanese Journal Applied Physics, 43 (2004) L1419
【特許文献１】特開2004-158893号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、以上述べた課題に鑑みてなされたもので、高AlNモル分率かつ高キャリア密度p型AlGaNを実現し、それを用いることによって高性能に紫外域の光を発光することのできるAlGaN系半導体発光素子などのAlGaN系半導体光素子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成すべく、本発明は、  
5×1017cm-3より大きなキャリア密度を有し、AlNモル分率が0.3より大きいことを特徴とする、p型AlGaN層に関する。
【００１５】
図１及び図２は、III族窒化物半導体であるGaN及びAlNの価電子帯におけるバンド構造の概略を示す図である。III族窒化物半導体の価電子帯のバンド構造は、ヘビーホール(HH) 121, ライトホール(LH) 122, 結晶場分裂ホール(CH) 123 の3つに分かれている。また、GaN及びAlNでは、Γ点 124 での頂上のバンドがそれぞれHH及びCHとなっており、互いに異なっていることが特徴である。
【００１６】
AlGaNにおいては、AlNモル分率が低い時はHH及びLHがCHよりも上であるが、AlNモル分率が増大するに従って、CHがHH及びLHと比べ相対的に上昇していき、AlNモル分率0.40程度でこの3本のバンドがほぼ重なる。そして、さらにAlNモル分率が増大すると、CHのほうがHHやLHよりも上に存在することになる。このような物性により、状態密度が増加することによってAlNモル分率を0から0.3まではキャリア密度は減少していくが、0.3よりも大きなAlNモル分率にすることによってキャリア濃度が増加し、0.4程度で極大値を取り、AlNまでp型伝導できるはずである。
【００１７】
そこで、Mg添加したｐ型AlGaNを作製し、このことを実験的に検討した。しかしながら、当初作製したp型AlGaNのキャリア密度はAlNモル分率の増加に対して減少するのみで、AlNモル分率0.4程度で高抵抗化し、ホール測定によるキャリア密度の測定ができなかった。この原因を精査した結果、作製した結晶に大きな問題点があることが分かった。実際、作製したAlGaNの結晶性は、(0002)回折のX線ロッキングカーブの半値幅は1200秒以上、(10-10)回折のX線ロッキングカーブの半値幅は約1500秒以上であった。また、TEMによる転位密度は1×1010cm-2であった。したがって、このような結晶性の悪さによりドナー性の欠陥を生じ、アクセプタを補償するのではないかと考えた。
【００１８】
このような事実に鑑み、本発明者らは、以下に示すような作製方法に従って、図３に示すような半導体素子を作製した。
最初に、有機金属化合物気相成長法により、サファイア基板 110 上に低温AlN層 111及びGaN 層112を成長し、次いで、EB蒸着装置を用いることにより、GaN層112上の(1-100)方向において、SiO2マスク 113 を周期的に形成した。次いで、有機金属気相成長法により、SiO2マスク113を完全に覆い、GaNの(11-22)ファセット 114 が出るようにして、GaNファセット層を成長した。次いで、低温AlN層 115 を介して、AlGaN層 116 により平坦化し、その上にMgを添加したAlGaN 層117 を形成した。次いで、酸素雰囲気中700度で5分間熱処理を行い、その後Ni/Au電極を形成した。
【００１９】
図３では、このようなヘテロELO技術を用いてAlGaN層117を形成しているので、AlGaN層117では、全組成域において(0002)回折のX線ロッキングカーブの半値幅800秒以下、(10-10)回折のX線ロッキングカーブの半値幅1000秒以下、転位密度5×109cm-2以下のいずれかが達成されている。
【００２０】
次いで、AlGaN層117のAlNモル分率を変化させ、ホール測定により、そのキャリア密度の変化を測定した。図４は、その測定結果を示すグラフである。図４から明らかなように、AlGaN層117は、AlNモル分率0〜0.3までは一義的にそのp型AlGaNのキャリア密度を低下させるが、AlNモル分率が0.3を超えると前記p型AlGaNのキャリア密度は増加し、AlNモル分率が0.4で1×1018cm-3と非常に高いキャリア濃度を実現し、AlNまで高いｐ型AlGaNキャリア濃度を有し、ｐ型AlGaN層として機能することが分かった。
【００２１】
換言すれば、上述したようなヘテロELO技術を用い、図３に示すような半導体素子を作製することによって、その素子内部に含まれるｐ型AlGaN層の、(0002)回折のX線ロッキングカーブの半値幅800秒以下、(10-10)回折のX線ロッキングカーブの半値幅1000秒以下、及び転位密度5×109cm-2以下の少なくとも１つが達成でき、その結果、AlNモル分率が0.3より大きく、キャリア密度が5×1017cm-3より大きいことを特徴とする、従来得ることができず、さらには従来より切望されていた、高AlN分率かつ高キャリア密度のｐ型AlGaN層を実現することができるものである。
【００２２】
したがって、前記ｐ型AlGaN層を、AlGaN系半導体光素子の活性層に対するブロッキング層及びクラッド層の少なくとも一方として使用することにより、前記AlGaN系半導体光素子の高性能化を実現することができるようになる。具体的には、200nmから360nmの波長域において、高性能なAlGaN系紫外発光ダイオード、AlGaN系紫外レーザダイオード、AlGaN系紫外線受光素子が実現できる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、高AlNモル分率かつ高キャリア密度p型AlGaNを実現し、それを用いることによって高性能に紫外域の光を発光することのできるAlGaN系半導体発光素子などのAlGaN系半導体光素子を実現することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明のその他の特徴及び利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図５は、本発明のp型AlGaN層を含むAlGaN系半導体発光素子の一例を示す構成図である。図５に示すAlGaN系半導体発光素子を作製するに際しては、最初に、サファイア基板 210 上に、有機金属化合物気相成長法により低温AlN層 211及びGaN層 212 を成長し、その後、GaN層212の(1-100)方向に、EB蒸着装置によりSiO2マスク 213 を周期的に形成する。次いで、有機金属気相成長法により、SiO2マスク 213 を完全に覆い、(11-22)ファセット 214が出るようにしてGaNファセット層214を形成する。
【００２６】
次いで、低温AlN層 215を介して、Siを添加したn型伝導性を示すキャリア濃度2×1018cm-3のn型Al0.50Ga0.50N 平坦化層216 により平坦化後、Al0.15Ga0.85N/ Al0.22Ga0.78N多重量子井戸構造活性層 217、キャリア密度8×1017cm-3のp型Al0.60Ga0.40Nブロッキング層 218、キャリア密度1×1018cm-3のp型Al0.50Ga0.50Nクラッド層 219、及びキャリア密度1×1018cm-3のp型GaNコンタクト層 2110を順次に積層し、AlGaN系半導体発光素子（ダイオード）を作製する。
【００２７】
この結晶成長によって実現したAlGaNの結晶性は、転位密度が1×108cm-2と非常に高品質であり、さらにp型ブロッキング層およびp型クラッド層にはAlNモル分率がそれぞれ0.6および0.5のAlGaNを用いている。この結果、これらのｐ型ブロッキング層及びp型クラッド層は、AlNモル分率が0.3よりも大きく、ワイドギャップであり、かつ1×1018cm-3の高キャリア密度のp型AlGaN層から構成されることになる。
【００２８】
得られたAlGaN系半導体発光素子（ダイオード）に、Ti/Al からなるn型電極2111及びNi/Auからなるp型電極 2112 を形成し、その特性について評価した。図６は、前記AlGaN系半導体発光素子（ダイオード）の発光スペクトルを示すグラフである。なお、この際、前記AlGaN系半導体発光素子（ダイオード）は室温に保持し、20mAの電流を注入した。
【００２９】
AlNモル分率0.3のp型AlGaNではバンド端発光以外に、ナローギャップな準位からの発光が存在するが、本例においては、図６に示すように、p型クラッド層のワイドギャップ化および高キャリア密度化によりピーク波長318nmの単一ピークの発光が得られた。また、前記AlGaN系半導体発光素子（ダイオード）をチップ化し、積分球により光出力を測定したところ、20mAで10mWと、従来報告されているAlGaN系半導体発光素子（ダイオード）に比べ1桁以上高効率の発光が得られた。
【００３０】
また、本構造では活性層217にはAl0.15Ga0.85N/ Al0.22Ga0.78N多重量子井戸構造を用いているが、これは実現したい発光波長によって適当に変化させることができる。例えば、活性層としてAl0.33Ga0.67N/ Al0.40Ga0.60N多重量子井戸構造を用いて、280nmで発光するAlGaN系半導体発光素子（ダイオード）を作る場合には、p層やn層のAlNモル分率を増加すればよい。実際、このような280nm発光のAlGaN系半導体発光素子（ダイオード）を作製し、その発光スペクトルを調べたところ、20mA注入時において8mWと約2桁程度高効率な紫外発光ダイオードを実現した。
【００３１】
さらに、活性層217を多重量子井戸構造でなく、AlGaN単層から構成することもできる。
【００３２】
また、本例ではAlNモル分率0.6でキャリア密度8×1017cm-3のp型AlGaNブロッキング層218及びAlNモル分率0.5でキャリア密度1×1018cm-3のp型AlGaNクラッド層219を用いているが、これらの特性値は、本発明の範囲内で、図５に示すAlGaN系半導体発光素子の、所望する発光波長に応じて適宜変化させることができる。
【００３３】
なお、上記例においては、AlGaNの結晶性は、転位密度が1×108cm-2となるようにしてその高品質を達成するようにしている。しかしながら、このような転位密度に代えて、あるいは前記転位密度に加えて、AlGaNの結晶性は、(0002)回折のX線ロッキングカーブの半値幅が800秒以下及び／又は(10-10)回折のX線ロッキングカーブの半値幅が1000秒以下とすることによっても所望の高品質を達成することができる。
【００３４】
また、本例では、p型コンタクト層2110にはp型GaNを用いているが、p型AlGaNを用いることもできる。さらに、p型AlGaNクラッド層219を単一組成の単層から構成しているが、超格子構造とすることもできる。
【００３５】
さらに、平坦化層216にはAlNモル分率が0.5のn型AlGaNを用いているが、これは素子構造によって最適な組成があり、それにあわせて適当な組成を選択すればよい。
【００３６】
（実施の形態２）
図７は、本発明のp型AlGaN層を含むAlGaN系半導体発光素子の他の例を示す構成図である。図７に示すAlGaN系半導体発光素子を作製するに際しては、サファイア基板310 上に、有機金属化合物気相成長法により低温AlN層 311及びGaN層 312 を成長し、次いで、EB蒸着装置を用いることにより、GaN層312の(1-100)方向に、SiO2マスク 313を周期的に形成する。次いで、有機金属気相成長法により、GaNの(11-22)ファセット 314 が出現し、SiO2マスクを完全に覆うようにしてGaNファセット層314を形成する。
【００３７】
その後、低温AlN層 315 を介して、Siを添加したn型伝導性を示すキャリア濃度2×1018cm-3のn型Al0.50Ga0.50N 平坦化層316 により平坦化後、アンドープAl0.38Ga0.62Nガイド層 317、Al0.30Ga0.70N/ Al0.38Ga0.62N多重量子井戸構造活性層 318、アンドープAl0.38Ga0.62Nガイド層 319、キャリア密度8×1017cm-3のp型Al0.60Ga0.40Nブロッキング層 3110、キャリア密度1×1018cm-3のp型Al0.50Ga0.50Nクラッド層 3111、及びキャリア密度1×1018cm-3のp型GaNコンタクト層 3112を積層する。次いで、Ti/Alからなるn電極 3113、Ni/Auからなるp電極 3114、SiO2からなる電流狭窄層 3115などを形成する。したがって、図示したAlGaN系半導体発光素子は、リッジ型のレーザダイオードとして機能するようになる。
【００３８】
この結晶成長によって実現したAlGaNの結晶性は、転位密度が1×108cm-2と非常に高品質であり、p型ブロッキング層及びp型クラッド層にはAlNモル分率が0.6および0.5のAlGaNを用いており、AlNモル分率が0.3よりも大きなワイドギャップ、並びに8×1017cm-3及び1×1018cm-3の高キャリア密度を実現できる。
【００３９】
図８は、図７に示すAlGaN系半導体発光素子を室温に保持し、100mＡの電流を注入時に得た発光スペクトルのグラフを示す図である。図８から明らかなように、283.7nmと従来の構造では実現できていない（深紫外域の）レーザ発振を実現した。
【００４０】
なお、上記例においては、AlGaNの結晶性は、転位密度が1×108cm-2となるようにしてその高品質を達成するようにしている。しかしながら、このような転位密度に代えて、あるいは前記転位密度に加えて、AlGaNの結晶性は、(0002)回折のX線ロッキングカーブの半値幅が800秒以下及び／又は(10-10)回折のX線ロッキングカーブの半値幅が1000秒以下とすることによっても所望の高品質を達成することができる。
【００４１】
また、活性層318にはAl0.30Ga0.70N/ Al0.38Ga0.62N多重量子井戸構造を用いているが、これは実現したい発光波長によって適当に変化させることができる。また、多重量子井戸構造でなく、単にAlGaN単層から構成することもできる。
【００４２】
さらに、本例ではAlNモル分率0.6でキャリア密度8×1017cm-3のp型AlGaNブロッキング層3110及びAlNモル分率0.5でキャリア密度1×1018cm-3のp型AlGaNクラッド層3111を用いているが、これらの特性値は、本発明の範囲内で、図７に示すAlGaN系半導体発光素子の、所望する発光波長に応じて適宜変化させることができる。
【００４３】
また、本例では、p型コンタクト層3112にはp型GaNを用いているが、p型AlGaNを用いることもできる。さらに、p型AlGaNクラッド層3111を単一組成の単層から構成しているが、超格子構造とすることもできる。さらに、平坦化層316にはAlNモル分率が0.5のn型AlGaNを用いているが、これは素子構造によって最適な組成があり、それにあわせて適当な組成を選択すればよい。
【００４４】
（実施の形態３）
図９は、本発明のp型AlGaN層を含むAlGaN系半導体受光素子の一例を示す構成図である。図９に示すAlGaN系半導体発光素子を作製するに際しては、最初に、サファイア基板410上に有機金属化合物気相成長法により、低温AlN層 411、Siを添加することによってn型伝導性を示すキャリア濃度2×1018cm-3のn型Al0.50Ga0.50N層 412、及びアンドープの Al0.40Ga0.60N 活性層413を積層し、次いで、キャリア密度1×1018cm-3のp型Al0.50Ga0.50Nクラッド層 414を積層する。次いで、Ti/Alからなるn型電極415 およびNi/Auからなるp型電極 416を形成して、目的とするAlGaN系半導体受光素子を作製した。
【００４５】
この結晶成長によって実現したAlGaNの結晶性は、(0002)回折のX線ロッキングカーブの半値幅が600秒と非常に高品質で、p型クラッド層にはAlNモル分率が0.5のAlGaNを用いており、AlNモル分率が0.3よりも大きく、ワイドギャップであって、1×1018cm-3の高キャリア密度を実現できる。
【００４６】
前記AlGaN系半導体受光素子の特性を評価したところ、270nm以下の光にしか反応しない紫外線半導体受光素子として機能することが判明した。したがって、前記AlGaN系半導体受光素子は、火炎センサへの応用に非常に適した受光素子であることが分かる。さらに、前記AlGaN系半導体受光素子は、従来報告されている紫外線半導体受光素子に比べ、感度が2桁以上向上しており、紫外線半導体受光素子として実用化に問題がないレベルにまで達していることが判明した。
【００４７】
なお、本例では、270nm以下の光にのみ反応する紫外線半導体受光素子を作製したが、活性層を構成するアンドープAlGaN層のAlNモル分率に適当な値を選択してあげれば、任意の波長の光を選択的に受光する構造が作製可能である。また、本構造ではAlGaN単層の構造を用いているが、これは多重量子井戸構造を用いて作製するが可能であることはいうまでもない。
【００４８】
また、本例では、AlGaN結晶性は、(0002)回折のX線ロッキングカーブの半値幅を600秒としているが、このような回折線のX線ロッキングカーブ半値幅に代えて、あるいは前記X線ロッキングカーブ半値幅に加えて、AlGaNの結晶性は (10-10)回折のX線ロッキングカーブの半値幅が1000秒以下及び／又は転位密度1×108cm-2となるようにしてその高品質を達成するようにすることができる。
【００４９】
以上、本発明を具体例を挙げながら詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】III族窒化物半導体であるGaNの価電子帯におけるバンド構造の概略を示す図である。
【図２】III族窒化物半導体であるAlNの価電子帯におけるバンド構造の概略を示す図である。
【図３】本発明の半導体素子の一例を示す構成図である。
【図４】図３に示す半導体素子の、キャリア濃度とAlNモル分率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明のAlGaN系半導体発光素子の一例を示す構成図である。
【図６】図５に示すAlGaN系半導体発光素子の発光スペクトルを示すグラフである。
【図７】本発明のAlGaN系半導体発光素子の他の例を示す構成図である。
【図８】図７に示すAlGaN系半導体発光素子の発光スペクトルを示すグラフである。
【図９】本発明のAlGaN系半導体受光素子の一例を示す構成図である。
【図１０】従来の紫外発光ダイオードの構成を概略的に示す図である。
【図１１】図１０に示す紫外発光ダイオードの発光スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
110  サファイア基板
111  低温AlN層
112  GaN
113  SiO2マスク
114  GaNの(11-22)ファセット
115  低温AlN層
116  AlGaN
117  Mgを添加したAlGaN
121  ヘビーホール(HH)
122  ライトホール(LH)
123  結晶場分裂ホール(CH)
124  Γ点
210  サファイア基板
211  低温AlN層
212  GaN
213  SiO2マスク
214  GaNの(11-22)ファセット
215  低温AlN層
216  n型Al0.50Ga0.50N
217  Al0.15Ga0.90N/ Al0.22Ga0.78N多重量子井戸構造活性層
218  p型Al0.60Ga0.40Nブロッキング層
219  p型Al0.50Ga0.50Nクラッド層
2110  p型GaNコンタクト層
2111  Ti/Alからなるn型電極
2112  Ni/Auからなるp型電極
310  サファイア基板
311  低温AlN層
312  GaN
313  SiO2マスク
314  GaNの(11-22)ファセット
315  低温AlN層
316  n型Al0.50Ga0.50N
317  アンドープAl0.38Ga0.62Nガイド層
318  Al0.30Ga0.70N/ Al0.38Ga0.62N多重量子井戸構造活性層
319  アンドープAl0.38Ga0.62Nガイド層
3110  p型Al0.60Ga0.40Nブロッキング層
3111  p型Al0.50Ga0.50Nクラッド層
3112  p型GaNコンタクト層
3113  Ti/Alからなるn型電極
3114  Ni/Auからなるp型電極
3115  SiO2からなる電流狭窄層
410  サファイア基板
411  低温AlN層
412  n型Al0.50Ga0.50N
413  アンドープAl0.40Ga0.60N
414  p型Al0.40Ga0.60Nクラッド層
415  Ti/Alからなるn型電極
416  Ni/Auからなるp型電極
1010  サファイア基板
1011  AlN層
1012  n型Al0.50Ga0.50N
1013  Al0.15Ga0.90N/ Al0.22Ga0.78N多重量子井戸構造活性層
1014  p型Al0.30Ga0.70Nブロッキング層
1015  p型Al0.25Ga0.75Nクラッド層
1016  p型GaNコンタクト層
1017  Ti/Alからなるn型電極
1018  Ni/Auからなるp型電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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